Hőszivattyú - Fűtéshez Hőt Veszünk A Föld Bolygóról

Tartalomjegyzék:

Hőszivattyú - Fűtéshez Hőt Veszünk A Föld Bolygóról
Hőszivattyú - Fűtéshez Hőt Veszünk A Föld Bolygóról

Videó: Hőszivattyú - Fűtéshez Hőt Veszünk A Föld Bolygóról

Videó: Hőszivattyú - Fűtéshez Hőt Veszünk A Föld Bolygóról
Videó: Hőszivattyú működése - teljes (HP explanation long HU03) 2024, Március
Anonim
  • Hőszivattyú előzményei
  • A hőszivattyú felépítése és működési elve
  • A hőszivattyúk hőgyűjtőinek típusai
  • A végén
Hőszivattyú - fűtéshez a Föld bolygóról nyerünk hőt
Hőszivattyú - fűtéshez a Föld bolygóról nyerünk hőt

A téli hideg legyőzése érdekében a háztulajdonosok energiát és megfelelő fűtőkazánokat keresnek, megirigyelve a szerencséseket, akiknek házai földgázt szállító kommunikációval vannak ellátva. Minden télen ezer tonna fát, szenet, kőolajtermékeket égetnek el a kályhákban, megawatt áramot fogyasztanak csillagászati mennyiségekért, amelyek évente nőnek, és úgy tűnik, hogy egyszerűen nincs más kiút. Eközben egy állandó hőenergia-forrás mindig otthonunk közelében található, azonban a Föld lakosságának meglehetősen nehéz ezt a képességet észrevennie. De mi van akkor, ha bolygónk hőjét felhasználjuk házak fűtésére? Ehhez pedig van egy megfelelő eszköz - geotermikus hőszivattyú.

Hőszivattyú előzményei

Az ilyen eszközök 1824-es működésének elméleti megalapozottságát Sadi Carnot francia fizikus szolgáltatta, aki egyetlen gőzgépekről szóló munkáját publikálta, amely leírta a termodinamikai ciklust, amelyet matematikailag és grafikusan 10 évvel később Benoit Cliperon fizikus megerősített és "Carnot-ciklusnak" nevezett.

A hőszivattyú első laboratóriumi modelljét William Thomson angol fizikus, Lord Kelvin készítette 1852-ben, termodinamikai kísérletei során. A hőszivattyú egyébként Lord Kelvintől kapta a nevét.

William Thomson, báró Kelvin
William Thomson, báró Kelvin

William Thomson, báró Kelvin

Az ipari hőszivattyús modellt 1856-ban Peter von Rittinger osztrák bányamérnök készítette, aki ezt a készüléket sóoldat elpárologtatásához és a sós mocsarak lecsapolásához használta a száraz só kinyerésére.

Peter Ritter von Rittinger
Peter Ritter von Rittinger

Peter Ritter von Rittinger

A hőszivattyú azonban a házak fűtésében való használatát az amerikai feltalálónak, Robert Webbernek köszönheti, aki a múlt század 40-es évek végén fagyasztóval kísérletezett. Robert észrevette, hogy a fagyasztóból kilépő cső forró, és úgy döntött, hogy ezt a hőt háztartási célokra használja fel, meghosszabbítva a csövet és átengedve a kazánon vízzel. A feltaláló ötlete sikeresnek bizonyult - ettől a pillanattól kezdve a háztartásban rengeteg meleg víz volt, míg a hő egy részét céltalanul költötték el, elhagyva a légkört. Webber ezt nem tudta elfogadni, és feltett egy tekercset a fagyasztó nyílásába, amely mellé ventilátort helyezett el, aminek eredményeként a ház levegőfűtésére van szükség. Egy idő után a találékony amerikai kitaláltahogy szó szerint lehet hőt kivonni a talajból a lába alá, és egy bizonyos mélységben eltemetni egy rézcsövek rendszerét, amelyeken freon kering keresztül. A gáz összegyűjtötte a hőt a földben, a házba szállította és eladta, majd visszatért a föld alatti hőgyűjtőbe. A Webber által létrehozott hőszivattyú olyan hatékonynak bizonyult, hogy teljesen átállította a ház fűtését erre a telepítésre, elhagyta a hagyományos fűtőberendezéseket és az energiahordozókat.

A Robert Webber által feltalált hőszivattyút sok éven át inkább abszurditásnak tekintették, mint valóban hatékony hőenergia-forrásnak - az olajenergia bőségesen, meglehetősen elfogadható áron volt. A megújuló hőforrások iránti érdeklődés a hetvenes évek elején nőtt, köszönhetően az 1973-as olajembargónak, amelynek során az öböl országai egyhangúlag megtagadták az olaj szállítását az Egyesült Államokba és Európába. A kőolajtermékek hiánya az energiaárak ugrásszerű megugrását okozta - sürgősen ki kellett lépni a helyzetből. Az embargó ezt követő, 1975-ös megszüntetése és az olajellátás helyreállítása ellenére az európai és amerikai gyártók felfogták saját földi hőszivattyú-modelljeik kifejlesztését, amelyek iránti kereslet azóta csak növekszik.

A hőszivattyú felépítése és működési elve

Amint a földkéregbe süllyedünk, amelynek felszínén élünk, és amelynek vastagsága a szárazföldön körülbelül 50–80 km, hőmérséklete emelkedik - ez a magma felső rétegének közelségének köszönhető, amelynek hőmérséklete megközelítőleg 1300 ° C. 3 méter vagy annál nagyobb mélységben a talaj hőmérséklete az év bármely szakában pozitív, minden egyes mélységkilométer esetében átlagosan 3–10 ° C-kal emelkedik. A talaj hőmérsékletének emelkedése a mélységével nemcsak az éghajlati zónától, hanem a talaj geológiájától, valamint a Föld adott területének endogén aktivitásától is függ. Például az afrikai kontinens déli részén a talajmélység egy kilométerére eső hőmérséklet-emelkedés 8 ° C, és Oregon államban (USA), amelynek területén meglehetősen magas endogén aktivitás figyelhető meg - 150 ° C minden egyes mélységkilométerre. A hőszivattyú hatékony működése érdekében azonban a hőt ellátó külső áramkört nem kell több száz méterre a föld alá temetni - bármely 0 ° C feletti hőmérsékletű közeg hőenergia-forrás lehet.

A hőszivattyú a levegőből, a vízből vagy a talajból származó hőenergiát továbbítja, növelve az átadás során a hőmérsékletet a kívánt hőmérsékletre a hűtőközeg összenyomódása (kompressziója) miatt. A hőszivattyúknak két fő típusa van - kompressziós és szorpciós.

Barkács hőszivattyú otthoni fűtéshez
Barkács hőszivattyú otthoni fűtéshez

A kompressziós hőszivattyú alapszerkezete: 1 - föld; 2 - sóoldat keringése; 3 - cirkulációs szivattyú; 4 - párologtató; 5 - kompresszor; 6 - kondenzátor; 7 - fűtési rendszer; 8 - hűtőközeg; 9 - fojtószelep

A zavaros név ellenére a kompressziós hőszivattyúk nem fűtőberendezések, hanem hűtőberendezések, mivel ugyanazon az elven működnek, mint minden hűtőszekrény vagy légkondicionáló. A hőszivattyú és a számunkra jól ismert hűtőegységek közötti különbség az, hogy működéséhez általában két áramkörre van szükség - egy belsőre, amelyben a hűtőközeg kering, és egy külsőre, hűtőfolyadék-körforgásra.

A készülék működése során a belső áramkör hűtőközege a következő szakaszokon megy keresztül:

  • a lehűlt hűtőközeg folyékony állapotban a kapilláris nyíláson keresztül jut be a párologtatóba. Gyors nyomáscsökkenés hatására a hűtőközeg elpárolog és gázállapotba kerül. A párologtató ívelt csövei mentén haladva és a mozgás során érintkezésbe lépve egy gáznemű vagy folyékony hőhordozóval, a hűtőközeg alacsony hőmérsékletű hőenergiát kap tőle, majd bejut a kompresszorba;
  • a kompresszor kamrájában a hűtőközeg összenyomódik, miközben nyomása meredeken emelkedik, ami a hűtőközeg hőmérsékletének emelkedését okozza;
  • a kompresszorból a forró hűtőközeg követi az áramkört a kondenzátor tekercsében, amely hőcserélőként működik - itt a hűtőközeg hőt ad le (kb. 80–130 ° C) a ház fűtőkörében keringő hűtőfolyadéknak. A hőenergia legnagyobb részének elvesztése után a hűtőközeg folyékony állapotba kerül;
  • amikor a tágulási szelepen (kapillárison) áthalad - a hőszivattyú belső áramkörében található, követve a hőcserélőt - a hűtőközegben a maradék nyomás csökken, majd bejut a párologtatóba. Ettől a pillanattól kezdve a munkaciklus ismétlődik.
Levegős hőszivattyú készülék
Levegős hőszivattyú készülék

A léghőszivattyú működési elve

Így a hőszivattyú belső szerkezete kapillárisból (tágulási szelep), párologtatóból, kompresszorból és kondenzátorból áll. A kompresszor működését egy elektronikus termosztát vezérli, amely megszakítja a kompresszor áramellátását, és ezáltal leállítja a hőtermelés folyamatát, amikor a házban beállítják a beállított levegő hőmérsékletét. Amikor a hőmérséklet egy bizonyos szint alá csökken, a termosztát automatikusan bekapcsolja a kompresszort.

Az R-134a vagy R-600a freonok hűtőközegként keringenek a hőszivattyú belső áramkörében - az első tetrafluor-etánra, a második izobutánra épül. Mindkét hűtőközeg biztonságos a Föld ózonrétege számára és környezetbarát. A kompressziós hőszivattyúk elektromos motorral vagy belső égésű motorral működhetnek.

A szorbciós hőszivattyúk abszorpciót alkalmaznak - egy fizikai-kémiai folyamatot, amelynek során egy gáz vagy folyadék térfogata nő egy másik folyadék hatására a hőmérséklet és a nyomás hatására.

Abszorpciós hőszivattyú sematikus rajza
Abszorpciós hőszivattyú sematikus rajza

Abszorpciós hőszivattyú sematikus rajza: 1 - fűtött víz; 2 - hűtött víz; 3 - fűtőgőz; 4 - fűtött víz; 5 - párologtató; 6 - generátor; 7 - kondenzátor; 8 - nem kondenzálható gázok; 9 - vákuumszivattyú; 10 - gőz kondenzátum melegítése; 11 - oldatos hőcserélő; 12 - gázelválasztó; 13 - abszorber; 14 - habarcsszivattyú; 15 - hűtőfolyadék szivattyú

Az abszorpciós hőszivattyúk földgáz termikus kompresszorral vannak felszerelve. Körükben van egy hűtőközeg (általában ammónia), amely alacsony hőmérsékleten és nyomáson elpárolog, miközben hőenergiát szív el a keringési kört körülvevő környezetből. Gőzállapotban a hűtőközeg bejut a hőcserélő-abszorberbe, ahol oldószer (általában víz) jelenlétében abszorbeálódik, és a hő átkerül az oldószerbe. Az oldószert egy termoszifonnal szállítják, amely a hűtőközeg és az oldószer közötti nyomáskülönbségen keresztül kering, vagy nagy teljesítményű létesítményekben alacsony energiájú szivattyúval.

A hűtőközeg és az oldószer egyesítésének eredményeként, amelyek forráspontjai különböznek, a hűtőközeg által szolgáltatott hő elpárolog. A magas hőmérsékletű és nyomású gőz állapotú hűtőközeg az áramkörön keresztül bejut a kondenzátorba, folyékony állapotba kerül és hőt ad le a fűtési hálózat hőcserélőjének. A tágulási szelepen való áthaladás után a hűtőközeg visszatér eredeti termodinamikai állapotába, és az oldószer ugyanúgy visszaáll eredeti állapotába.

Az abszorpciós hőszivattyúk előnye, hogy képesek működni bármilyen hőenergia-forrásból, és a mozgó elemek teljes hiánya, vagyis zajtalanság. Hátrányok - kisebb teljesítmény, a kompressziós egységekhez képest, magas költségek, a tervezés bonyolultsága és a nehezen feldolgozható korrózióálló anyagok használata miatt.

Abszorpciós hőszivattyú egység
Abszorpciós hőszivattyú egység

Abszorpciós hőszivattyú egység

Az adszorpciós hőszivattyúk szilárd anyagokat, például szilikagélt, aktív szenet vagy zeolitot használnak. Az első, deszorpciós fázisnak nevezett munkafolyamat során hőenergiát juttatnak a hőcserélő kamrába, amelyet belülről egy szorbens, például egy gázégő borít. A melegítés a hűtőközeg (víz) elpárologtatását eredményezi, a keletkező gőzt a második hőcserélőbe juttatják, amely az első fázisban leadja a fűtőrendszerbe történő gőz kondenzációja során nyert hőt. A szorbens teljes megszáradása és a víz kondenzációjának befejezése a második hőcserélőben befejezi a munka első szakaszát - leáll a hőenergia-ellátás az első hőcserélő kamrájába. A második szakaszban a kondenzvíz-hőcserélő párologtatóvá válik, amely hőenergiát juttat a hűtőközegbe a külső környezetből. A 0,6 kPa-t elérő nyomásarány eredményekénta külső környezet hőjének érintkezésekor a hűtőközeg elpárolog - a vízgőz az első hőcserélőbe kerül, ahol a szorbensbe adszorbeálódik. Az adszorpciós folyamat során a gőz által leadott hő átkerül a fűtési rendszerbe, majd a ciklus megismétlődik. Meg kell jegyezni, hogy az adszorpciós hőszivattyúk nem alkalmasak háztartási használatra - csak nagy épületek (400 m2), a kevésbé hatékony modellek még fejlesztés alatt állnak.

A hőszivattyúk hőgyűjtőinek típusai

A hőszivattyúk hőenergia-forrásai különbözőek lehetnek - geotermikus (zárt és nyitott típusú), levegő, másodlagos hő felhasználásával. Vizsgáljuk meg ezeket a forrásokat részletesebben.

A földi hőszivattyúk a talaj vagy a talajvíz hőenergiáját fogyasztják, és két típusra oszthatók - zárt és nyitott. A zárt hőforrásokat fel lehet osztani:

Vízszintesen, míg a hőt gyűjtő kollektor gyűrűkben vagy cikk-cakkban helyezkedik el az 1,3 méter vagy annál nagyobb mélységű (a fagyási mélység alatti) árkokban. Ez a módszer a hőgyűjtő áramkör elhelyezésére kis földterülettel hatékony

Geotermikus fűtés vízszintes hőgyűjtővel
Geotermikus fűtés vízszintes hőgyűjtővel

Geotermikus fűtés vízszintes hőgyűjtővel

A függőleges, azaz a hőgyűjtő kollektorát a talajba merített függőleges kutakba helyezzük 200 m mélységig. A kollektor elhelyezésének ezt a módszerét akkor alkalmazzák, amikor a kontúr vízszintes lefektetése nem lehetséges, vagy fennáll a táj megzavarásának veszélye

Geotermikus fűtés függőleges hőgyűjtővel
Geotermikus fűtés függőleges hőgyűjtővel

Geotermikus fűtés függőleges hőgyűjtővel

Víz, miközben az áramkör kollektora cikk-cakk vagy gyűrű alakú módon helyezkedik el a tározó alján, a fagyás szintje alatt. A kutak fúrásához képest ez a módszer a legolcsóbb, de régiótól függően függ a tározóban lévő víz mélységétől és teljes mennyiségétől

A nyílt típusú hőszivattyúkban vizet használnak a hőcseréhez, amelyet a hőszivattyún való áthaladás után visszavezetnek a földbe. Csak akkor lehet ezt a módszert alkalmazni, ha a víz kémiailag tiszta, és ha a törvény szempontjából megengedett a felszín alatti víz használata ebben a szerepben.

Nyitott típusú geotermikus fűtés
Nyitott típusú geotermikus fűtés

Nyitott típusú geotermikus fűtés

A légáramkörökben ennek megfelelően a levegőt hőenergia-forrásként használják.

Fűtés légi hőszivattyúval
Fűtés légi hőszivattyúval

Fűtés légi hőszivattyúval

A másodlagos (származékos) hőforrásokat általában olyan vállalkozásoknál alkalmazzák, amelyek működési ciklusa harmadik fél (parazita) hőenergia előállításához kapcsolódik, amely további felhasználást igényel.

A hőszivattyúk első modelljei teljesen hasonlóak voltak a Robert Webber által kitalált, fent leírt kivitelhez - az áramkör rézcsövei, amelyek egyszerre működtek külső és belső funkciókkal, a bennük keringő hűtőközeggel, a földbe merültek. Az ilyen kivitelű párologtatót a fagyás mélységét meghaladó mélységben, vagy a szögben (40–60 mm átmérőjű) 15–30 m mélységig fúrt szögletes vagy függőleges kutakba helyezték. A közvetlen cserélő áramkör (ezt a nevet kapta) lehetővé teszi, hogy kicsi átmérőjű csövek használata esetén közbenső hőcserélő nélkül. A közvetlen csere nem igényli a hűtőfolyadék kényszerű szivattyúzását, mivel nincs szükség cirkulációs szivattyúra, így kevesebb áramot költenek el. Kívül,A közvetlen csereáramkörrel rendelkező hőszivattyú hatékonyan használható alacsony hőmérsékleten is - bármely tárgy hőt bocsát ki, ha hőmérséklete meghaladja az abszolút nulla (-273,15 ° C) értéket, és a hűtőközeg -40 ° C-ig elpárologhat. Ennek az áramkörnek a hátrányai: nagy hűtőközegigény; magas rézcsövek költségei; a rézszakaszok megbízható csatlakoztatása csak forrasztással lehetséges, különben a hűtőközeg szivárgása nem kerülhető el; katódos védelem szükségessége savas talajokban.ellenkező esetben a hűtőközeg szivárgása nem kerülhető el; katódos védelem szükségessége savas talajokban.ellenkező esetben a hűtőközeg szivárgása nem kerülhető el; katódos védelem szükségessége savas talajokban.

A levegőből történő hőbevitel a legalkalmasabb forró éghajlatra, mivel mínusz alatti hőmérsékleten annak hatékonysága komolyan csökken, ami további fűtési forrásokat igényel. A léghőszivattyúk előnye, hogy nincs szükség drága kutak fúrására, mivel a párologtatóval és ventilátorral ellátott külső áramkör a háztól nem messze található. Egyébként bármely monoblokk vagy split-légkondicionáló rendszer az egykörös léghőszivattyú képviselője. Például a 24 kW teljesítményű léghőszivattyú költsége körülbelül 163 000 rubel.

Levegő hőszivattyú
Levegő hőszivattyú

Levegő hőszivattyú

A tározóból származó hőenergiát úgy vonják ki, hogy műanyag csövekből álló áramkört fektetnek a folyó vagy a tó fenekére. Fektetési mélység 2 méterről a csöveket az aljára nyomják, 5 kg / méter hosszú terheléssel. Mintegy 30 W hőenergia nyerhető ki egy ilyen áramkör minden egyes futóórájából, vagyis egy 10 kW-os hőszivattyúhoz 300 m teljes hosszúságú áramkörre lesz szükség. Az ilyen áramkör előnyei a viszonylag alacsony költségek és a könnyű telepítés, hátrányok - súlyos fagyok esetén lehetetlen hőenergiát nyerni …

A hőszivattyú áramkörének tárolása
A hőszivattyú áramkörének tárolása

A hőszivattyú áramkörének tárolása

A talajból származó hő kinyerése érdekében egy PVC-csőhurkot helyeznek egy gödörbe, amelyet a fagyási mélységet legalább fél méterrel meghaladó mélységig ásnak. A csövek közötti távolságnak körülbelül 1,5 m-nek kell lennie, a bennük keringő hűtőfolyadék fagyálló (általában vizes nátrium-klorid-oldat). A talajkontúr hatékony működése közvetlenül összefügg a talaj nedvességtartalmával annak elhelyezésének helyén - ha a talaj homokos, vagyis nem képes visszatartani a vizet, akkor a kontúr hosszát hozzávetőlegesen meg kell duplázni. A hőszivattyú az éghajlati zónától és a talaj típusától függően átlagosan 30–60 W hőenergiát képes kinyerni a talaj kontúrjának futó méteréből. A 10 kW-os hőszivattyúhoz 400 méteres áramkörre van szükség, amelyet egy 400 m 2 -es helyre kell lefektetni. A talajkörös hőszivattyú költsége körülbelül 500 000 rubel.

Vízszintes hőszivattyú áramkörének lefektetése
Vízszintes hőszivattyú áramkörének lefektetése

A vízszintes kontúr földbe fektetése

A kőzet hőjének visszanyeréséhez vagy 168–324 mm átmérőjű kutak lefektetése szükséges 100 méter mélységig, vagy több sekélyebb kút kivitelezése szükséges. Minden egyes kútba leeresztik a kontúrt, amely két műanyag csőből áll, amelyek a legalacsonyabb ponton vannak összekötve egy U U alakú, súlyként működő csővel. Fagyálló folyadék kering a csöveken - csak 30% -os etil-alkohol oldat, mivel szivárgás esetén nem károsítja a környezetet. A benne elhelyezett kontúrral ellátott kút végül megtelik talajvízzel, amely hőt juttat a hűtőfolyadékhoz. Egy ilyen kút minden métere körülbelül 50 W hőenergiát eredményez, vagyis egy 10 kW-os hőszivattyúhoz 170 m-es kút kell fúrni. A nagyobb hőenergia megszerzéséhez nem kifizetődő 200 m-nél mélyebb kutat fúrni - jobb, ha több kisebb kutat készítünk közöttük 15–20 m távolságban. Minél nagyobb a fúrólyuk átmérője, annál sekélyebben kell fúrni, ugyanakkor nagyobb hőenergia-bevitel érhető el - körülbelül 600 W / futó méter.

Geotermikus szonda
Geotermikus szonda

Geotermikus szonda felszerelése

A talajban vagy a tározóban elhelyezett kontúrokhoz képest a kútban lévő kontúr minimális helyet foglal el a helyszínen, maga a kút bármilyen típusú talajban elkészíthető, beleértve a kőzetet is. A kútkörből származó hőátadás az év bármely szakában és bármilyen időjárás esetén stabil lesz. Egy ilyen hőszivattyú megtérülése azonban több évtizedet vesz igénybe, mivel telepítése több mint egymillió rubelbe kerül a háztulajdonosnak.

A végén

A hőszivattyúk előnye a magas hatásfok, mivel ezek az egységek óránként legfeljebb 350 watt villamos energiát fogyasztanak, hogy óránként egy kilowatt hőenergiát kapjanak. Összehasonlításképpen: az üzemanyagok elégetésével villamos energiát termelő erőművek hatékonysága nem haladja meg az 50% -ot. A hőszivattyús rendszer automatikus üzemmódban működik, az üzemeltetési költségek rendkívül alacsonyak - a kompresszor és a szivattyúk működtetéséhez csak villamos energiára van szükség. A hőszivattyú egység méretei megközelítőleg megegyeznek a háztartási hűtőszekrény méreteivel, az üzem közbeni zajszint szintén egybeesik a háztartási hűtőegység ugyanazzal a paraméterével.

Hőszivattyú "sós víz"
Hőszivattyú "sós víz"

Hőszivattyú "sós víz"

A hőszivattyú használható mind hőenergia megszerzésére, mind annak eltávolítására - az áramkörök működésének hűtésre kapcsolásával, míg a ház helyiségeiből származó hőenergia a külső áramkörön keresztül a talajba, a vízbe vagy a levegőbe kerül.

A hőszivattyú alapú fűtési rendszer egyetlen hátránya a magas költség. Európában, valamint az USA-ban és Japánban a hőszivattyú-telepítések meglehetősen gyakoriak - Svédországban több mint félmillió, Japánban és az USA-ban (főleg Oregonban) - több millió. A hőszivattyúk népszerűsége ezekben az országokban annak köszönhető, hogy kormányzati programok támogatják támogatásokat és kompenzációkat a háztulajdonosoknak, akik ilyen berendezéseket telepítettek.

Kétségtelen, hogy a közeljövőben a hőszivattyúk már nem lesznek valami külföldiek Oroszországban, ha figyelembe vesszük a földgáz árának éves növekedését, amely ma a hőszivattyúk egyetlen versenytársa a hőenergia megszerzésének pénzügyi költségei szempontjából.

Ajánlott: